Como dimensionar y calcular un DPS según IEC ¡¡¡ PREMIUM !!!

En este artículo se explicara como se dimensiona y calcula las diferentes clases o tipos de DPS (DPS tipo I, II, III).

Además de mostrar dónde deben instalarse, como se identifica y calcula cada variable que debe tener según la norma IEC y recomendaciones mas importantes.

Se calculara cada parámetro y variables de los DPS (In, Imax, Un, Uc, Up, Iimp, Ur  entre otras), con ejemplos reales e ilustrativos que ayudan a mejorar la comprensión del dimensionamiento.

Además se dan recomendaciones practicas para el correcto dimensionamiento, mencionando normas de base para el calculo.

Si deseas realizar el calculo y dimensionamiento de un DPS de forma automatizada puedes utilizar la «Calculadora de DPS (Dispositivo de protección contra sobretensiones) – Norma IEC»

Que es un DPS (Dispositivo de protección de sobretensiones)

Un DPS es un dispositivo que limita las sobretensiones transitorias y disipa la corriente a la tierra para reducir la energía de la sobretensión y hacerla segura para las instalaciones y los equipos eléctricos.

Cuando se produce una sobretensión que supera el umbral de protección del DPS, este conduce la energía a tierra de forma segura.

La protección contra sobretensiones es una solución rentable para evitar el tiempo de inactividad, mejorar la confiabilidad del sistema y de los datos, y eliminar los daños al equipo debido a transitorios y sobretensiones tanto para las líneas de energía como para las de señal.

Es adecuado para cualquier instalación o carga (1000 voltios y menos). Las aplicaciones típicas de DPS dentro de la industria, comercio y residencial incluyen:

Potencia eléctrica: Tableros principales, gabinetes de control, controladores lógicos programables (PLC), controladores electrónicos de motores (VFDS), monitoreo de equipos, circuitos de iluminación, medición, equipos médicos, cargas críticas, energía de respaldo, UPS y equipos HVAC.

Telecomunicaciones: Circuitos de comunicación, líneas telefónicas o de fax, canales de televisión por cable, sistemas de seguridad, circuitos de señalización de alarmas, centro de entretenimiento o equipo estéreo y electrodomésticos.

Tipos o clases de DPS

Los dispositivos de protección de sobretensiones se clasifican en tipos según su capacidad de descarga:

DPS – Tipo 1

Este tipo de DPS son ensayados con un impulso de onda 10/350 µs (ensayo clase I), que simula la corriente que se
produce en caso de un impacto directo de rayo.

Tiene la capacidad de derivar a tierra corrientes muy elevadas, ofreciendo un nivel de protección «Up» alto. Deben ser acompañados con DPS Tipo 2. Concebidos para utilización en tableros generales de instalaciones donde el riesgo de impacto de rayo es elevado, por ejemplo en edificios con sistema de protección externa.

Estas protecciones deberán ser muy robustas para poder drenar toda la energía del rayo. Generalmente se instalan a la entrada del suministro de energía en el tablero principal.

DPS – Tipo 2

Ensayados con un impulso de onda 8/20 µs (ensayo clase II), que simula la corriente que se produce en caso de una conmutación o de un impacto de rayo sobre la línea de distribución o en sus proximidades.

Tiene la capacidad de derivar a tierra corrientes elevadas, ofreciendo un nivel de protección «Up» medio. Concebidos para utilización en subtableros aguas abajo de protectores tipo 1 o en tableros generales de instalaciones donde el
riesgo de impacto de rayo es reducido.

Se considera su instalación en sitios donde el riesgo de impacto directo está considerado inexistente, las protecciones de Tipo 2 protegen la instalación internamente.

DPS – Tipo 3

Se ensayan con un impulso en onda combinada 1,2/50 µs – 8/20 µs (ensayo clase III), que simula la corriente y la tensión que pueden llegar a los equipos a proteger.

Tienen la capacidad de derivar a tierra corrientes medias, ofreciendo un nivel de protección Up bajo. Instalados siempre aguas abajo de una protección tipo 2 y concebidos para la protección de equipos sensibles o separados de éstos una distancia superior a 20 m.

Se recomienda usar estas protecciones cerca de los equipos sensibles.

Nota: Se debe tener presente que la tecnología VG permite ofrecer soluciones de protectores que combinan distintos tipos de protección Tipo 1+2 y Tipo 2+3.

Entre las ventajas están reducir el tiempo de instalación, bajar costos de instalación y simplificar la selección sin cálculo de coordinación

Calculo de parámetros para los DPS

Calculo de I_n

I_n = Corriente nominal de descarga; Es la corriente máxima que un DPS podrá drenar a tierra en el caso de una descarga por conmutación. Es el valor de la corriente de pico de una forma de onda 8/20 (20 veces) fluyendo en el protector contra sobrevoltajes.

Es un parámetro muy importante para instalaciones interiores donde se cuenta con la presencia de interruptores y cargas inductivas, entre otras.

Para el calculo de I_n se debe utilizar

Calculo de I_max

I_max = Corriente máxima de descarga para el ensayo 8/20 μ s tipo II; es el valor de cresta de la corriente mas alto que puede soportar el DPS sin dañarse.

Para el calculo de I_max se debe utilizar la siguiente tabla…

Verificación de I_c

I_c = Corriente de funcionamiento permanente o corriente de fuga; es la corriente que circula por el limitador que está alimentado a una tensión máxima de servicio permanente Uc para cada modo.

Este es un dato que debe cumplir el fabricante, por lo tanto la corriente de fuga en funcionamiento normal del DPS debe ser menor de 1mA

Calculo de I_imp

I_imp = Corriente de choque para el ensayo de clase I; es el valor de cresta de la corriente de forma de onda 10/350 μ s.

Para el calculo de I_imp se debe utilizar la siguiente tabla y de acuerdo al nivel de protección…

Calculo de Un

U_n = Tensión o voltaje de red nominal; es el valor de tensión V _L-N del sistema. Este dato es simplemente…

Calculo de Uc o MCOV

U_c = Tensión máxima de servicio permanente o continua que se puede aplicar al dispositivo. Esta es la tensión máxima que debe soportar el DPS sin que se dañe. También es llamado MCOV.

Para el calculo simplemente se deberá…

Calculo de Up

U_p = Nivel de protección en tensión; es un parámetro que caracteriza el funcionamiento del DPS entre sus bornes y que se escoge de entre la lista de valores predefinidos.

Este valor indica la máxima tensión que deberá permitir…

Ejemplo de calculo de DPS tipo 1 y tipo 2

Se tiene un centro comercial con una subestacion y tableros de distribución según lo siguiente:

1 tablero principal a 208V (L-L), este tiene 1 analizador de redes y una transferencia automática de red normal a planta eléctrica. Además tiene 3 tableros de distribución a 208V (L-L) con 1 medidor de energía cada uno, como se muestra en la siguiente imagen (El nivel de protección de la instalación es III/NPR III y sistema TNS):

De acuerdo a  lo anterior calcular los DPS tipo 1 y tipo 2 de la instalación.

Calculo de DPS tipo I, tipo II y DPS tipo I+II.

Calculo DPS tipo I

Calculo DPS tipo I + tipo II

Calculo DPS tipo II

Consideración DPS tipo 3

Puede considerarse una tercera etapa o nivel de protección contra sobretensiones instalada lo más cerca posible de la carga o equipo a proteger.

Dependerá de cuán crítico y costoso sea, además del coste del tiempo de su inactividad y lo sensible que sea. Si éstos son elevados normalmente se instalarán protectores contra sobretensiones de tipo 3 (1.2/50μs), los cuales reducirán aún más el riesgo de los efectos de la sobretensión.

Tipos de impulso de prueba para DPS

Forma de impulso 1: Impacto directo de rayo, impulso de rayo simulado de 10/350μs.

Forma de impulso 2: Impacto lejano de rayo o proceso de conmutación, impulso de rayo simulado de 8/20μs. (Sobretensión)

Modos de operación de los DPS

Los DPS operan de 2 formas.

1. Modo común

Los sobrevoltajes en modo común suceden entre conductores activos y tierra, por ejemplo fase/tierra o neutro/tierra.

Este modo de sobrevoltaje destruye a los equipos conectados a tierra y también a equipos no conectados a tierra que están localizados cerca de una masa conectada a tierra y que no tiene suficiente aislamiento eléctrico (algunos kilovoltios).

Las sobretensiones en modo común afectan a todos los sistemas de conexión a tierra.

2. Modo diferencial

Las sobretensiones en modo diferencial fluyen entre conductores activos: fase/fase o fase/neutro.

Estas sobretensiones tienen un efecto potencial alto de daños para todos los equipos conectados a la red eléctrica,
especialmente para los equipos «sensibles».

Estos sobre voltajes también afectan al sistema de conexión a tierra TN-S si hay una diferencia considerable en las longitudes del cable neutro y el cable de protección (PE).

Como se dispersa un rayo cuando cae en una instalación

Según la norma IEC 62305-4, al caer un rayo de 200kA a una instalación la energía se distribuye de la siguiente manera:

– 50% se va al sistema de tierra.
– 50% se distribuyen por los otros caminos posibles como:

• Acometida de red eléctrica de baja
  tensión.
• Líneas de datos y telefonía.
• Tuberías metálicas de agua, gas etc.

Contra que protegen los DPS

Como se informo anteriormente los DPS protegen contra las sobretensiones transitorias, los orígenes de este tipo de sobretensiones son diversos, las descargas atmosféricas son la causa más destructiva.

Tipos de sobretensiones transitorias:

Sobretensiones transitorias de origen atmosférico: Basado en la norma IEC-62305-4 la energía del rayo puede alcanzar los 200 kA. Este efecto se puede presentar de diferentes maneras tales como el impacto directo sobre la protección externa (pararrayos) de un edificio o sobre el tendido eléctrico, o como la inducción de campos electromagnéticos asociados a tales descargas sobre los conductores metálicos.

Importante: No se debe confundir los kA de rayos con los producidos por una falla en una instalación o kA de cortocircuito, estos últimos son a frecuencia de red (50 o 60 Hz) mientras que los originados por descargas atmosféricas son muy cortos, son del orden de microsegundos.

Sobretensiones transitorias de funcionamiento o maniobra: También es habitual que fenómenos no relacionados con las condiciones atmosféricas, tales como la conmutación de centros de transformación o la desconexión de motores u otras cargas inductivas, provoquen picos de tensión en líneas colindantes.

Este tipo de sobretensiones son también conocidas como sobretensiones internas siendo en muchos casos las principales causas de sobretensiones a la que las instalaciones están expuestas, para estas sobretensiones se utiliza protección interna (DPS).

Un cambio brusco en las condiciones de funcionamiento normal establecidos en una red eléctrica provoca fenómenos transitorios. Se trata por lo general de ondas de sobretensión de oscilación amortiguadas o de alta frecuencia. Las sobretensiones de maniobra se pueden originar a causa de lo siguiente:

• Apertura de los dispositivos de protección ( Fusibles, interruptor automático, etc)
• Apertura o el cierre de los dispositivos de control ( Reles, contactores, etc)
• Circuitos inductivos, arranques o paradas de motores, apertura de
  transformadores.
• Circuitos capacitivos, conexión de bancos de condensadores.
• Todos los dispositivos que contienen una bobina, un condensador o un transformador en la entrada de alimentación relés, contactores, televisores industriales, impresoras industriales, cantidad alta de ordenadores, hornos eléctricos, filtros, etc

Las sobretensiones transitorias no se producen únicamente en las líneas de distribución eléctrica, sino que también son habituales en cualquier línea formada por conductores metálicos, como las de telefonía, comunicación, medición y datos.

Sobretensiones de transitorios de frecuencia industrial: Estas sobretensiones presentan las mismas frecuencias que la red 50 60 o 400 Hz). Algunas causas de estas sobretensiones son:

• Sobretensiones producidas por defectos de aislamiento de fase/masa o fase/tierra en una red con un neutro aislado, o por el defecto del conductor neutro. Cuando ocurre esto, los dispositivos de fase única recibirán una
  alimentación de 220 V en lugar de 127.
• Sobretensiones debidas a un defecto en el cable. Por ejemplo, un cable de media tensión que cae en una línea de baja tensión.
• El arco de un spark-gap de protección de media o alta tensión produce un aumento del potencial de tierra durante la acción de los dispositivos de protección.

Sobretensiones transitorias producidas por descargas electrostáticas: En un entorno seco, se acumulan cargas eléctricas y crean un campo electrostático muy fuerte Por ejemplo, una persona que camine sobre alfombra con suelas aislantes se cargará eléctricamente con una tensión de varios kilovoltios.

Si la persona camina cerca de una estructura conductora, desprenderá una descarga eléctrica de varios amperios en
un periodo de tiempo de pocos nanosegundos. Si la estructura contiene elementos electrónicos sensibles, como un computador, se pueden destruir sus componentes o placas de circuitos.

Importante: Los DPS no protegen contra sobretensiones temporales. Si el DPS está expuesto a este tipo de sobretensiones se puede dañar y hay riesgo de incendio.
Por esta razón, muchos DPS tienen mecanismos térmicos para desconectarlo cuando ocurren sobretensiones sostenidas.

La sobretensión o sobre voltaje transitorio es un fenómeno que ocurre a alta frecuencia y tiene un aumento brusco de la tensión durante un corto período de tiempo, del orden de microsegundos, comúnmente conocido como sobre voltaje eléctrico.

La sobretensión o sobre voltaje temporal mantiene la misma frecuencia de la red eléctrica y se somete a un aumento de tensión que tiene una duración de más de medio ciclo de la frecuencia fundamental o de forma permanente.

La principal diferencia entre sobretensiones transitorias y temporales son su origen y su duración. Las sobretensiones transitorias son aumentos de voltaje, de muy corta duración (milisegundos o micosegundos), medidos entre dos conductores, o entre conductor y tierra. En cuanto al origen, pueden deberse a descargas eléctricas atmosféricas (rayos), a procesos de conmutación o a averías (contacto a tierra o cortocircuito).

Por otro lado, las sobretensiones temporales, permanentes o mantenidas son aumentos de tensión durante un período de tiempo más largo o incluso indeterminado. Se producen debido a la descompensación de las fases, normalmente causada por problemas de la red de distribución eléctrica, o por defectos en la conexión del conductor neutro o la rotura del mismo.

Referencias:  IEC-62305-4, NTC4552, cirprotec, schneider, OBO, electropol, gedisa, Fatech